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    陽光+屋檐+金磚 為故宮正大光明匾開啟冬至“金光濾鏡”

    2022年01月21日 07:28    來源:科技日報    周 乾

      每年冬至日前后的正午時分,故宮乾清宮內就會出現一番奇特的景象:大殿內“正大光明”匾額及下方的五條金龍會由西向東依次被陽光點亮,發出金色的光芒。冬至日是古人極其重視的節日,古代帝王會選擇冬至日祭天,以表達“陰極陽生、萬物生長”的祈愿。而乾清宮內正大光明匾額及金龍在冬至日被點亮,也反映了古人在建筑方面的匠心獨運。

      乾清宮坐北朝南的建筑方位與太陽照射的方位角相適應,有利于建筑內部合理采光。這種建筑方位的特點為:長度方向與東西向平行,寬度方向與南北向平行,南立面每間房均開設隔扇或檻窗,北立面一般只在明間開設用于出入的隔扇門!白背稀笔亲辖侵匾獙m殿的布局方式。我國先秦時期儒家經典《周易》之“說卦”載有:“圣人南面而聽天下,向明而治”,即古圣先王坐北朝南而聽治天下,面向陽光而治理天下。其科學原因在于:北京位于北回歸線以北,每年春分到秋分時期,太陽照射的方位是東偏北升起、西偏北降落,建筑內接受日照較少,不至于過熱;而秋分到下一年的春分時期,太陽照射的方位是東偏南升起、西偏南降落,易于大殿內部采光。

      冬至日正午時分(12點)的太陽高度角,有利于陽光直射入乾清宮內部。太陽高度角是指太陽照射方向與地平面的夾角。一天之中,太陽高度角日出和日落時分最小,而在正午時分最大。一年之中,太陽高度角亦不斷變化,且與緯度密切相關。北京地區所在的緯度約為北緯40度。在一年四季的正午時分,太陽高度角從冬至日的27度逐漸升到夏至日的73度,然后逐漸下降至第二年冬至日的27度,如此循環。在夏至日,由于太陽高度角過大,陽光照射到屋檐位置后,由于屋檐的阻擋,僅照射在門口,未能進入殿內,因而夏天乾清宮內并不會很熱(夏涼);在冬至日,由于太陽高度角很小,陽光很容易穿過屋檐照射到殿內深處(冬暖),且反射到正大光明匾額位置上。不僅如此,故宮古建筑屋檐起翹的斜度一般在26度至30度之間,這個角度約等于冬至日正午時分的太陽高度角,可使陽光近似與屋檐“平行”的方向照射到乾清宮深處。

      陽光照在任何物體表面都會產生反射,且表面光澤性較強的物體會產生鏡面反射。鏡面反射的特點在于:太陽光(可近似認為是平行光)照射到物體表面后,仍以平行光方式產生反射,且反射角與入射角相等。對于乾清宮而言,其殿內采用的是金磚地面,表面如鏡般光亮,因而產生鏡面反射,且反射后的光束可集中匯聚到殿內相應的位置。

      需要說明的是,金磚屬于土質方磚的一種,產地源于蘇州城北的陸慕鎮余窯村。其土質細膩、含膠狀體豐富、可塑性強,加工制作的磚顆粒細膩,質地致密堅硬,且造價昂貴,因而民間稱為金磚。故宮古建筑內的金磚地面鋪墁,有一道“使灰鉆油”的工序。所使用的油為桐油。生桐油是一種植物蛋白膠,一般通過冷榨3—4年的桐樹籽得來,外觀呈淺棕黃色,光澤度好。澆筑桐油的金磚地面堅固密實,其光亮的表面經過陽光照射后,易產生鏡面反射。冬至日正午時分,陽光能夠反射到殿內的正大光明匾額正中,金磚地面的鏡面反射無疑起到了關鍵作用。

      另太陽每日在不同時間段的照射方位,有利于乾清宮匾額被“點亮”。地球在繞太陽公轉的同時,還自西向東自轉,因而太陽相對于地球而言,每天做東升西落的運動。冬至日,在正午前,太陽位置在乾清宮的東南側,陽光的照射方向為西北向,因而首先點亮“明”字及西邊的龍;“隨后,太陽位置向西移動,照射到匾額的方向由西北向東北移動,因而很快陽光就點亮了“光”字及其下方的龍;在正午時,太陽的位置在乾清宮的正南側,陽光照射的方向為北向,因而“大”字的東側及下方正中間部位的龍最亮;正午后,太陽的位置在乾清宮的西南側,陽光照射的方向為東北向,因而“正”字及下方最東側的龍最亮。

      由上可知,乾清宮坐北朝南的建筑布局方式,冬至日正午時分最低的太陽高度角,太陽相對地球東升西落的運行規律,乾清宮科學合理的屋檐起翹角度,光亮金磚地面的反射作用等因素,使得乾清宮正大光明匾額及下方的五條金龍,在冬至日的正午被依次點亮。上述過程包含了極為豐富的古代設計學、光學、天文學、材料學等科學知識,反映了古代工匠卓越的智慧。

     。ㄗ髡呦倒蕦m博物院研究館員)

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    (責任編輯: 王婉瑩 )

    陽光+屋檐+金磚 為故宮正大光明匾開啟冬至“金光濾鏡”

    2022-01-21 07:28 來源:科技日報
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